WebAssembly--执行与内存模型

前言

在WebAssembly初探中，我们已经了解了WebAssembly的发展和标准演进过程，并简单地体验了一把Wasm的应用，本篇文章会通过对比WASM和JS的执行流程，WebAssembly的内存模型深入分析，带大家理解下WebAssembly部分核心原理，探究下其快的秘密。

下图是一组基准测试，可以看出WASM至少比JS运行时性能提升近1倍以上，那为什么WASM快呢，请往下看：

WebAssembly与Javascript

JavaScript 既是解释语言又是编译语言，所以 JavaScript 引擎在解析后启动执行。javascript引擎首先会先将资源下载下来，Javascript 引擎会等待整个资源全部下载完成。一旦资源下载完成，javascript 引擎会对资源进行解析（parse），parse 会将源代码转换成 javascript 解析器能运行的字节码。

JavaScript 引擎的监视器 (在某些浏览器中称为分析器)会跟踪代码执行情况，如果一个特定的代码块被频繁地执行，那么监视器将其标记为热代码。引擎使用即时 (JIT) 编译器编译代码块（比如v8 引擎的 baseline compiler）。整个编译过程发生在主线程，会占用主线程的资源，但被JIT优化后的代码会执行的效率更高，综合的ROI是可接受的，被编译的代码就是优化过程了。

JavaScript 引擎增加了一(或两)层优化，当一个函数调用频率更高时，编译器会标记这个函数并尝试更深度的来优化它。经过这次重新优化 （reoptimisation），编译器会进行更多的推断和生成优化代码。这个优化会花费更多的时间，但是它生成的代码会更快。JavaScript 是一种动态类型的语言，引擎所能做的所有优化都是基于类型的推断。如果推断失败，那么将重新解释并执行代码，并删除优化过的代码，而不是抛出运行时异常，如果重新推断发现类型变化了，那之前的优化就是纯浪费了。

最后一步是垃圾回收，将删除内存中的所有活动对象，JavaScript 引擎中的垃圾回收采用标记清除算法，在垃圾回收过程中，JavaScript 引擎从根对象 (类似于 Node.js 中的全局对象) 开始查找从根对象引用的所有对象，并将它们标记为可访问对象，它将剩余的对象标记为不可访问的对象，最后清除不可访问的对象。

WASM 是二进制格式文件,并且已经被提前编译和优化过成最终的.wasm。在运行过程， JS 引擎会先去加载 WASM 代码，然后解码并转换成模块的内部表达（即 AST)。这个阶段是解码阶段，解码阶段要远远比 JS 的编译阶段要快。

接下来，解码后的 WASM 进入编译阶段，在这个阶段，对模块进行验证，在验证过程中对函数、指令序列和堆栈的使用进行类型检查，然后将验证过的代码编译为机器码。由于 WASM 二进制代码已经提前编译和优化过了，所以在其编译阶段会更快。为了追求提升 WebAssembly 执行的速度，浏览器厂商实现了流式编译机制。流式编译允许 Javascript 引擎一边在 WebAssembly 模块还在下载时，一边进行编译和优化操作。相比于 Javascript 引擎需要等待 Javascript 文件全部下载完成，流式编译提升了这整个过程。

最后编译过的代码进入执行阶段，执行阶段，模块会被实例化并执行。在实例化的时候，JS 引擎会实例化状态和执行栈，最后再执行模块。

WASM 快的原因是因为它的执行步骤要比 JS 的执行步骤少，其二进制代码已经经过了优化和编译，并且可以进行流式编译。但总的来说，WASM 的执行效率并不是一直优于原生JS 代码执行，因为 WASM 代码和 JS 引擎交互和实例化也是要耗费时间的，一些和JS的胶水代码会抵消WASM本身的性能提升，所以需要考虑好使用场景。

WebAssembly内存模型

WebAssembly 模块的内存部分（memory section）是线性内存。

线性内存模型（linear memory model）是一个内存寻址技术，其中内存组织在单个地址空间中（organized in a single contagious address space），也被称为平面内存模型（Flat memory model）

线性内存模型使理解、编程和表示内存变得更容易。但是它也有巨大的缺点，例如重新排列内存中的元素需要大量的执行时间，并且会浪费大量的内存区域。

LLVM 编译 WebAssembly 的时候，会按照固定的内存布局。首先一开始是个数据（Data）区，主要是存放源码的全局数据和静态数据。Wasm 代码里面访问这些变量的时候，是通过使用静态的偏移量调用 iload、istore 来实现的。中间的 Aux Stack 是 Wasm 程序运行中做辅助栈使用的，它与数据区的边界是有一个 Wasm Global 来指向的，叫 data_end，data_end 是个 Global变量。Wasm 程序调用 malloc 时从其自己的 Heap 里面分配数据，heap 区的起始位置是在 heap_base 的 Global 来指定的，它的初始值是编译器在编译时确定的。

线性内存之外的内存区域被称作受管内存 (Managed Memory)，这些对象的内存地址有些会逃逸用户的控制。第一种是 Globals，可以把它看成一个一维的数组，这里 data_end 是索引值为 1 的 Global，heap_base 是第二个 Global，还会有其他的一些变量按顺序依次排下去。

还有一种受管内存叫Locals。Locals在执行指令的时候，默认以当前的栈作为基础来进行访问和定位的。程序中基本类型的函数局部变量，可以使用 Locals 来映射，其他类型局部变量则会使用线性内存中 Aux Stack 来管理。和线性内存操作相比，Global 和 Local 操作目标的索引值是固定在 Wasm 文件中，说明其在编译期已然确定。而线性内存的地址是运行时才确定的。

最后还有一种叫做操作栈 (Operation Stack)，Wasm字节码指令里会隐含操作栈访问，但没有任指令可以显式控制操作栈。此空间用来存储操作数和返回结果等数据。

最后

本文带大家认识了WebAssembly的执行过程和内存模型，希望大家能关注到WebAssembly快的原因，当然WebAssembly性能优势远不止这些，还有多线程和SIMD等技术支持，更进一步地希望大家明白WebAssembly不是银弹，高性能WebAssembly的程序需要高质量的代码，也可结合内存知识来实现。

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